TWI580938B - 微機電力量感測器以及力量感測裝置 - Google Patents

Description

微機電力量感測器以及力量感測裝置

本發明是有關於一種微機電感測器以及感測裝置，且特別是有關於一種微機電力量感測器以及力量感測裝置。

微機電系統(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)技術是一種以微小化機電整合結構為出發點的設計。目前常見的微機電技術主要應用於微感測器(Micro sensor)、微制動器(Micro actuator)與微結構(Micro structure)元件等三大領域，其中微感測器可將外界環境變化(如力量、壓力、聲音、速度等)轉換成電訊號(例如電壓或電流等)，而實現環境感測功能，如力量感測、壓力感測、聲音感測、加速度感測等。由於微感測器可利用半導體製程技術製造且可與積體電路整合，因此具有較佳的競爭力。是以，微機電感測器以及應用微機電感測器的感測裝置實為微機電系統之發展趨勢。

本發明提供一種微機電力量感測器，其可感測施加在微機電力量感測器上的力量變化。

本發明提供一種力量感測裝置，其可感測施加在力量感測裝置上的力量變化。

本發明的一種微機電力量感測器，其包括第一基板、第二基板以及多個導電端子。第二基板與第一基板對向配置且包括可形變部以及受力部。可形變部具有多個感測元件。受力部凸出於可形變部背對第一基板的表面，而在可形變部上圍設出凹槽。導電端子與感測元件電性連接，且導電端子集中配置在凹槽的下方。第二基板透過導電端子而固定在第一基板上。

在本發明的一實施例中，上述的第一基板是印刷電路板或顯示面板。

在本發明的一實施例中，上述的感測元件包括多個連接部以及多個壓阻式感測元件。各壓阻式感測元件連接兩相鄰連接部。可形變部的四側分別具有感測單元。感測單元由至少一壓阻式感測元件與多個上述連接部所組成。

在本發明的一實施例中，上述的壓阻式感測元件在可形變部背對第一基板的表面的正投影落在凹槽所涵蓋的範圍內。

在本發明的一實施例中，上述的感測元件鄰近可形變部的中央區域配置，且連接部以及壓阻式感測元件在可形變部背對第一基板的表面的正投影落在凹槽所涵蓋的範圍內。

在本發明的一實施例中，上述的第二基板更包括線路結 構。線路結構配置在可形變部面向第一基板的表面上，且感測元件藉由線路結構而與導電端子電性連接，其中相鄰兩感測單元藉由線路結構而共用其中一導電端子，並形成惠斯同電橋(Wheatstone bridge)。

在本發明的一實施例中，上述的微機電力量感測器更包括過載防護層。過載防護層填充在凹槽中，且過載防護層的頂面高於受力部的頂面。

在本發明的一實施例中，上述的過載防護層的剛性小於第二基板的剛性。

在本發明的一實施例中，上述的微機電力量感測器更包括過載防護層。過載防護層配置在可形變部面向第一基板的表面上且暴露出導電端子。過載防護層與第一基板保持間隙。

本發明的一種力量感測裝置，其包括微機電力量感測器以及第三基板。微機電力量感測器包括第一基板、第二基板以及多個導電端子。第二基板與第一基板對向配置且包括可形變部以及受力部。可形變部具有多個感測元件。受力部凸出於可形變部背對第一基板的表面，而在可形變部上圍設出凹槽。導電端子與感測元件電性連接，且導電端子集中配置在凹槽的下方。第二基板透過導電端子而固定在第一基板上。第三基板具有凸出部。凸出部的寬度小於凹槽的寬度，且凸出部的厚度小於凹槽的深度。第三基板組裝於第二基板上，且凸出部嵌入凹槽中。

在本發明的一實施例中，上述的第三基板是觸控面板的 基板或顯示面板的基板。

基於上述，在本發明的實施例中，可形變部具有多個感測元件，而受力部凸出於可形變部背對第一基板的表面。當外力施加於受力部時，可形變部受到下壓的力量而變形，使得可形變部中的感測元件對應產生物理量的變化，從而微機電力量感測器及具有微機電力量感測器的力量感測裝置可利用上述物理量的變化判斷施加在微機電力量感測器或力量感測裝置上的力量變化。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

10‧‧‧力量感測裝置

12、100、100A、100B、100C、100D‧‧‧微機電力量感測器

14‧‧‧第三基板

110‧‧‧第一基板

120‧‧‧第二基板

122‧‧‧可形變部

124‧‧‧受力部

130‧‧‧導電端子

140‧‧‧第一層間介電層

150‧‧‧導線

160‧‧‧第二層間介電層

170‧‧‧接墊

180、180A‧‧‧過載防護層

C‧‧‧凹槽

CS‧‧‧線路結構

D‧‧‧深度

G、G’‧‧‧間隙

H‧‧‧厚度

IN‧‧‧絕緣層

L1‧‧‧第一層

L3‧‧‧第二層

L3‧‧‧第三層

O1‧‧‧第一開口

O2‧‧‧第二開口

PT‧‧‧凸出部

S‧‧‧表面

SB‧‧‧基板

SS‧‧‧感測元件

SS1‧‧‧連接部

SS2‧‧‧壓阻式感測元件

ST124、ST180‧‧‧頂面

U‧‧‧感測單元

WC、WPT‧‧‧寬度

圖1是依照本發明的一實施例的一種微機電力量感測器的剖面示意圖。

圖2是圖1的微機電力量感測器的第一種實施形態的仰視示意圖。

圖3A至圖3J是圖2的微機電力量感測器的製造流程的剖面示意圖。

圖4是圖1的微機電力量感測器的第二種實施形態的仰視示意圖。

圖5是圖1的微機電力量感測器的第三種實施形態的剖面示意圖。

圖6A及圖6B分別是圖1的微機電力量感測器的第四種實施形態的剖面示意圖及仰視示意圖。

圖7是依照本發明的一實施例的一種力量感測裝置的剖面示意圖。

圖1是依照本發明的一實施例的一種微機電力量感測器的剖面示意圖。請參照圖1，微機電力量感測器100包括第一基板110、第二基板120以及多個導電端子130。第二基板120與第一基板110對向配置且包括可形變部122以及受力部124。可形變部122具有多個感測元件SS。受力部124凸出於可形變部122背對第一基板110的表面，而在可形變部122上圍設出凹槽C。導電端子130與感測元件SS電性連接，且導電端子130集中配置在凹槽C的下方。第二基板120透過導電端子130而固定在第一基板11o上。

第一基板110可以是印刷電路板、顯示面板或其他合適的板材，且第一基板110具有適於將電訊號導出至處理器的線路。第二基板120可以是一半導體基板經由圖案化製程而形成可形變部122以及受力部124。受力部124環繞配置在可形變部122的邊緣，使凹槽C位於第二基板120的中間。上述半導體基板例如是絕緣層覆矽(Silicon-On-Insulator,SOI)基板，但不以此為限。導電端子130位於第一基板110與第二基板120之間，其可將電訊號 導出且可作為機械上的固定端。在本實施例中，導電端子130是錫球，其具有導電性佳、免於封裝且體積小等優點。

感測元件SS可鄰近可形變部122面向第一基板110的表面配置，且可鄰近可形變部122的邊緣配置，但不以此為限。在另一實施例中，感測元件SS也可鄰近可形變部122的中央區域配置。第二基板120可進一步包括線路結構(未繪示)以將感測元件SS與導電端子130電性連接。如此，當外力施加於受力部124時，可形變部122受到受力部124下壓的力量而變形，使得可形變部122中的感測元件SS對應產生物理量的變化。上述物理量的變化對應產生電訊號的變化，而電訊號的變化可依序經由線路結構以及導電端子130而輸出至外部電路(如處理器)，以進行後續的訊號處理及分析。如此，微機電力量感測器100可判斷施加於其上的力量變化。

以下藉由圖2至圖6B說明微機電力量感測器100的多種具體實施型態，其中相同的元件以相同的標號表示，於下便不再贅述。圖2是圖1的微機電力量感測器的第一種實施形態的仰視示意圖。圖3A至圖3J是圖2的微機電力量感測器的製造流程的剖面示意圖。圖4是圖1的微機電力量感測器的第二種實施形態的仰視示意圖。圖5是圖1的微機電力量感測器的第三種實施形態的剖面示意圖。圖6A及圖6B分別是圖1的微機電力量感測器的第四種實施形態的剖面示意圖及仰視示意圖。為清楚表示感測元件及線路結構，圖2、圖4及圖6B省略繪示第一基板110，並 以虛線表示導電端子130。

請先參照圖2及圖3J，在微機電力量感測器100A中，感測元件SS可包括多個連接部SS1以及多個壓阻式感測元件SS2。各壓阻式感測元件SS2連接兩相鄰連接部SS1，且壓阻式感測元件SS2在可形變部122背對第一基板110的表面的正投影落在凹槽C所涵蓋的範圍內。亦即，壓阻式感測元件SS2的邊緣不超出凹槽C所涵蓋的範圍(圖2以虛線表示凹槽C所涵蓋的範圍)。此外，導電端子130在可形變部122背對第一基板110的表面的正投影也落在凹槽C所涵蓋的範圍內。

可形變部122的四側分別具有感測單元U。感測單元U由至少一壓阻式感測元件SS2與多個上述連接部SS1所組成，且例如由兩個壓阻式感測元件SS2與三個連接部SS1所組成，但不以此為限。

請參照圖3J，第二基板120還包括線路結構CS。線路結構CS配置在可形變部122面向第一基板110的表面S上，且感測元件SS藉由線路結構CS而與導電端子130電性連接，其中相鄰兩感測單元U藉由線路結構CS而共用其中一導電端子130，並形成惠斯同電橋。

在本實施例中，線路結構CS包括第一層間介電層140、多條導線150、第二層間介電層160以及多個接墊170。第一層間介電層140配置在可形變部122面向第一基板110的表面S上。第一層間介電層140具有多個第一開口O1。各第一開口O1暴露 出其中一連接部SS1的部分。導線150配置在第一層間介電層140上。各連接部SS1的部分與其中一導線150連接。第二層間介電層160配置在第一層間介電層140以及導線150上且具有多個第二開口O2。各第二開口O2暴露出其中一導線150的部分。接墊170配置在第二層間介電層160上。各接墊170透過其中一第二開口O2與對應的導線150的部分連接。各導電端子130與其中一接墊170連接，以將電訊號導出第二基板120。

接著說明微機電力量感測器100A的一種製造方法。請參照圖3A，提供基板SB。基板SB例如為SOI基板。舉例而言，基板SB可由第一層L1、第二層L2以及第三層L3堆疊而成。第一層L1以及第三層L3可為矽基板，而第二層L2可為絕緣層，如氧化矽層，但不以此為限。

接著，於基板SB上形成絕緣層IN。絕緣層IN例如覆蓋基板SB的所有表面，但不以此為限。此外，絕緣層IN例如為氧化矽層，但亦不以此為限。

請參照圖3B，於第三層L3中形成感測元件SS(包括連接部SS1以及壓阻式感測元件SS2)。形成連接部SS1與壓阻式感測元件SS2的方法例如包括離子摻雜(ion implant)，且各壓阻式感測元件SS2的摻雜濃度低於各連接部SS1的摻雜濃度。

請參照圖3C，移除絕緣層IN。移除絕緣層IN的方法可包括蝕刻。蝕刻所使用的蝕刻劑例如是二氧化矽蝕刻劑(Buffered Oxide Etch,BOE)，但不以此為限。

請參照圖3D，在第三層L3上形成第一層間介電層140，其中連接部SS1以及壓阻式感測元件SS2位在第一層間介電層140與第二層L2之間。第一層間介電層140具有多個第一開口O1。各第一開口O1暴露出其中一連接部SS1的部分。形成第一層間介電層140的方法可以是在第三層L3上藉由電漿輔助化學氣相沈積(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition,PECVD)形成一第一層間介電材料層，再藉由濕蝕刻形成第一開口O1，但不以此為限。第一層間介電層140的材料可以是氧化矽或氮化矽，但不以此為限。

請參照圖3E，在第一層間介電層140上形成多條導線150，其中各連接部SS1的部分與其中一導線150連接。形成導線150的方法可以是藉由濺鍍(Sputtering)形成一導電層，再藉由乾蝕刻來圖案化導電層，形成導線150，但不以此為限。

請參照圖3F，在第一層間介電層140以及導線150上形成第二層間介電層160。第二層間介電層160具有多個第二開口O2。各第二開口O2暴露出其中一導線150的部分。形成第二層間介電層160的方法可以是藉由電漿輔助化學氣相沈積形成一第二層間介電材料層，再藉由乾蝕刻形成第二開口O2，但不以此為限。第二層間介電層160的材料可以是氮化矽，但不以此為限。

請參照圖3G，在第二層間介電層160上形成多個接墊170。各接墊170透過其中一第二開口O2與對應的導線150的部分連接。形成接墊170的方法可以是藉由濺鍍形成一導電層，再 藉由乾蝕刻來圖案化導電層，形成接墊170，但不以此為限。

請參照圖3H，移除部分第一層L1以及部分第二層L2以形成第二基板120。第二基板120包括可形變部122以及受力部124，其中可形變部122例如由第三層L3構成，而受力部124例如由圖案化的第二層L2以及圖案化的第一層L1構成。受力部124凸出於可形變部122的表面，而在可形變部122上圍設出凹槽C。

請參照圖3I，於接墊170上形成導電端子130。形成導電端子130的方法可以是印刷，但不以此為限。

請參照圖3J，透過導電端子130將第一基板110與第二基板120接合。

依據不同的需求，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可改變上述製程順序或增設其他元件或膜層，或改變上述元件的形狀或相對配置關係。舉例而言，如圖4所示，在微機電力量感測器100B中，感測元件SS可鄰近可形變部122的中央區域配置。在此架構下，連接部SS1以及壓阻式感測元件SS2在可形變部122背對第一基板110的表面的正投影例如落在凹槽C所涵蓋的範圍內(圖4以虛線表示凹槽C所涵蓋的範圍)。

此外，如圖5所示，微機電力量感測器100C可進一步包括過載防護層180。過載防護層180填充在凹槽C中，且過載防護層180例如在圖3H或圖3J的步驟後填入凹槽C。過載防護層180的頂面ST180可高於受力部124的頂面ST124，如此，施加於 微機電力量感測器100C的外力會先作用在過載防護層180上。藉由使過載防護層180的剛性小於第二基板120的剛性，可利用過載防護層180吸收掉部分的外力，以達到應力緩衝的效果。舉例而言，過載防護層180的材質可以包括聚合物，但不以此為限。

另外，如圖6A及圖6B的微機電力量感測器100D所示，過載防護層180A也可配置在可形變部122面向第一基板110的表面S上並暴露出導電端子130。具體地，線路結構CS位於可形變部122與過載防護層180A之間，且過載防護層180A與第一基板110保持間隙G。過載防護層180A的製造方法可以是在圖3H的步驟後在第二層間介電層160以及接墊170上全面地覆蓋一過載防護材料層，再藉由圖案化製程(如乾蝕刻)移除部分過載防護材料層，而暴露出欲容納導電端子130的區域，但不以此為限。

由於過載防護層180A配置在可形變部122上，因此過載防護層180A的剛性會影響可形變部122的可形變程度，亦即過載防護層180A的剛性會影響感測靈敏度。本實施利可藉由改變過載防護層180A的材質來微調感測靈敏度。舉例而言，過載防護層180A的材質可為聚合物，但不以此為限。

另外，由於間隙G的大小決定微機電力量感測器100D的最大下壓距離，因此本實施利可藉由調變間隙G的大小，例如使間隙G小於可形變部122的最大形變量，以避免下壓距離超過可形變部122的最大形變量而導致可形變部122損壞的情況。

圖7是依照本發明的一實施例的一種力量感測裝置的剖 面示意圖。請參照圖7，力量感測裝置10包括微機電力量感測器12以及第三基板14。在本實施例中，微機電力量感測器12採用圖3J中微機電力量感測器100A的架構，但不以此為限。在其他實施例中，微機電力量感測器12也可採用圖4、圖5或圖6A的架構。相同元件的說明請參照前述，於此不再贅述。

第三基板14具有凸出部PT。凸出部PT的寬度WPT小於凹槽C的寬度WC，且凸出部PT的厚度H小於凹槽C的深度D。藉此，第三基板14組裝於第二基板120上時，凸出部PT可嵌入凹槽C中，而有助於提升對位的便利。

此外，本實施例亦可藉由調變凸出部PT與可形變部122之間的間隙G’的大小，來調變可形變部122的受壓範圍。例如使間隙G’小於可形變部122的最大形變量，以避免下壓距離超過可形變部122的最大形變量而導致可形變部122損壞的情況。換句話說，凸出部PT除了有助於提升對位的便利之外還具有過載防護的效果。

依據不同的需求，第三基板14上可配置有其他膜層。舉例而言，第三基板14上可配置有觸控元件，亦即第三基板14可以是觸控面板的基板。如此，力量感測裝置10可在力量感測功能之外進一步提供二維觸控功能，亦即力量感測裝置10除了可偵測Z軸方向上的力量變化之外，還可偵測X-Y平面上的觸控座標。然而，本發明不以此為限。在另一實施例中，第三基板14也可以是顯示面板的基板。

綜上所述，在本發明的實施例中，可形變部具有多個感測元件，而受力部凸出於可形變部背對第一基板的表面。當外力施加於受力部時，可形變部受到下壓的力量而變形，使得可形變部中的感測元件對應產生物理量的變化，從而微機電力量感測器及具有微機電力量感測器的力量感測裝置可利用上述物理量的變化判斷施加在微機電力量感測器或力量感測裝置上的力量變化。在其他實施例中，微機電力量感測器可進一步配置過載防護層以提供應力緩衝或過載防護的效果。此外，力量感測裝置的第三基板藉由凸出部的設計，除了可提升對位的便利之外還具有過載防護的效果。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧微機電力量感測器

110‧‧‧第一基板

120‧‧‧第二基板

122‧‧‧可形變部

124‧‧‧受力部

130‧‧‧導電端子

C‧‧‧凹槽

SS‧‧‧感測元件

Claims (11)

1. 一種微機電力量感測器，包括：一第一基板；一第二基板，與該第一基板對向配置且包括：一可形變部，具有多個感測元件；以及一受力部，凸出於該可形變部背對該第一基板的表面，而在該可形變部上圍設出一凹槽；以及多個導電端子，與該些感測元件電性連接，且該些導電端子集中配置在該凹槽的下方，該第二基板透過該些導電端子而固定在該第一基板上，其中該些導電端子在該可形變部背對該第一基板的表面的正投影落在該凹槽所涵蓋的範圍內。
2. 如申請專利範圍第1項所述的微機電力量感測器，其中該第一基板是印刷電路板或顯示面板。
3. 如申請專利範圍第1項所述的微機電力量感測器，其中該些感測元件包括多個連接部以及多個壓阻式感測元件，各該壓阻式感測元件連接兩相鄰連接部，該可形變部的四側分別具有一感測單元，該感測單元由至少一該壓阻式感測元件與多個該些連接部所組成。
4. 如申請專利範圍第3項所述的微機電力量感測器，其中該些壓阻式感測元件在該可形變部背對該第一基板的表面的正投影落在該凹槽所涵蓋的範圍內。
5. 如申請專利範圍第3項所述的微機電力量感測器，其中該些感測元件鄰近該可形變部的中央區域配置，且該些連接部以及該些壓阻式感測元件在該可形變部背對該第一基板的表面的正投影落在該凹槽所涵蓋的範圍內。
6. 如申請專利範圍第1項所述的微機電力量感測器，其中該第二基板更包括：一線路結構，配置在該可形變部面向該第一基板的表面上，且該些感測元件藉由該線路結構而與該些導電端子電性連接，其中相鄰兩感測單元藉由該線路結構而共用其中一導電端子，並形成一惠斯同電橋。
7. 如申請專利範圍第1項所述的微機電力量感測器，更包括：一過載防護層，填充在該凹槽中，且該過載防護層的頂面高於該受力部的頂面。
8. 如申請專利範圍第7項所述的微機電力量感測器，其中該過載防護層的剛性小於該第二基板的剛性。
9. 如申請專利範圍第1項所述的微機電力量感測器，更包括：一過載防護層，配置在該可形變部面向該第一基板的表面上且暴露出該些導電端子，該過載防護層與該第一基板保持一間隙。
10. 一種力量感測裝置，包括：一微機電力量感測器，包括： 一第一基板；一第二基板，與該第一基板對向配置且包括：一可形變部，具有多個感測元件；以及一受力部，凸出於該可形變部背對該第一基板的表面，而在該可形變部上圍設出一凹槽；以及多個導電端子，與該些感測元件電性連接，且該些導電端子集中配置在該凹槽的下方，該第二基板透過該些導電端子而固定在該第一基板上；以及一第三基板，具有一凸出部，該凸出部的寬度小於該凹槽的寬度，且該凸出部的厚度小於該凹槽的深度，該第三基板組裝於該第二基板上，且該凸出部嵌入該凹槽中。
11. 如申請專利範圍第10項所述的力量感測裝置，其中該第三基板是一觸控面板的基板或一顯示面板的基板。